JP2014091187A - 工具異常検出装置と工具異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具異常を高精度に検出できる工具異常検出装置と工具異常検出方法を提供する。
【解決手段】ＣＰＵは、ワークＷの加工中停止しているＸ軸ボール螺子又はＹ軸ボール螺子に付与される振動を、外乱オブザーバを用いて測定する（Ｓ１）。次いで、外乱オブザーバで推定した外乱力をウェーブレット変換することによって、工具Ｔの回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する（Ｓ２）。さらに、解析結果に基づき、工具Ｔの回転数の周波数と同じスペクトル成分の強度を算出する（Ｓ３）。そして、算出したスペクトル強度を第１閾値と第２閾値との比較によって（Ｓ４、Ｓ６）、欠損の有無を高精度に検出し、且つ欠損レベルを判定できる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、工具異常検出装置と工具異常検出方法に関する。

加工精度や生産効率を高め、事故を防止するためには、リアルタイムに工具状態を把握する必要がある。特に工作機械やワークの損害を防ぐ為には、工具折損への適切な対策をとらなければならない。そのため、今までにＡＥセンサなどの外部センサを利用した工具折損の検出・予測手法が広く研究されてきた。特に工具欠損は一般的に、工具に過負荷がかかっている場合に発生しやすいため、工具折損の重要な予測指標とされている。

しかしながら、外部センサを利用する手法は、高コスト化・故障率増加・機械剛性低下などの問題を招いてしまう。これらの問題に対して、外部センサ設置による加工空間への悪影響を無くす為に、電気子電流の値を測定することで間接的に検出する手法の提案が成されている。しかしこれらの手法は、精度の良い電流値測定が難しく、電気子電流はフィルタ処理などによって高周波の情報が失われているため、規模の小さい欠損を検出するために利用することはできない。

一方、外乱オブザーバは、サーボ情報からシステムに影響を与える高周波の外乱力を精度よく推定できる。即ち、主軸回転に必要とされるモータのトルクから外乱負荷トルクを推定し、さらに工具の送りに必要とされるＺ軸のモータのトルクから外乱負荷トルクを推定して、これら推定外乱負荷トルクから工具の破損を検出することが行われている。特許文献１が開示する工具破損検出方式は、主軸及び被加工物と工具との相対的な移動を行う軸における外乱負荷トルクを監視することに加え、被加工物と工具との相対的な移動を行わない軸における外乱負荷トルクをも併せて監視し、これらによる推定外乱負荷トルクから工具の破損を判断し、工具破損検出時には機械を停止させる。この方式は、加工時に移動しない軸（例えばＺ軸のみ切り込む時のＸＹ軸）の外乱トルクが工具欠損時には正常時と比べて大きくなることを利用している。

特開平８−１７４３８３号公報

特許文献１が開示する工具破損検出方式は、単純に外乱トルクを監視するだけである。それ故、その外乱トルクが本当に工具破損によるものか判断できず、単に加工の異常を検出するに過ぎないという問題点があった。

本発明の目的は、工具異常を高精度に検出できる工具異常検出装置と工具異常検出方法を提供することである。

本発明の請求項１に工具異常検出装置は、ワークと工具の相対移動を行う工作機械に使用する前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、前記ワークの加工方向と平行で前記ワークの加工中に駆動する加工軸とは異なる方向に位置し、前記ワークの加工中には駆動しない静止軸に付与される振動を測定する測定手段と、前記測定手段が測定した前記振動中に、前記ワークの加工中における前記工具の回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する解析手段と、前記解析手段の解析結果に基づき、前記工具の異常を検出する異常検出手段とを備える。工具が摩耗すると、工具の先端部分に工具欠損が起きる。加工時に移動しない静止軸に付与される振動は、欠損により生じた振動によるものである。この振動は工具の回転周波数と等しくなる。静止軸の振動から工具の回転周波数に相当する成分を取り出すことで、他の要因による振動の影響を除いた工具欠損による振動のみを取り出すことができる。これにより本実施形態は、単に振動を観測する方式に比べて高い精度での工具欠損の検出が可能になる。

請求項２に係る発明の工具異常検出装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記測定手段は、前記静止軸を駆動するサーボモータの位置情報とトルク情報を含むフィードバック情報に基づき、前記静止軸の外乱トルクを推定して前記振動を測定する外乱オブザーバを備える。本発明は、測定手段に外乱オブザーバを利用することで、静止軸にかかる外乱トルクを高精度に推定できる。

請求項３に係る発明の工具異常検出装置は、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記解析手段は、前記外乱オブザーバで推定された前記外乱トルクをウェーブレット変換によって、前記回転数の周波数と同じスペクトル成分を検出して解析することを特徴とする。本発明は、外乱オブザーバで推定された外乱トルクをウェーブレット変換することで、回転数の周波数と同じ周波数の解析を高精度に行うことができる。

請求項４に係る発明の工具異常検出装置は、請求項１から３に記載の発明の構成に加え、前記異常検出手段が前記工具の異常を検出した時に、前記成分の強度に応じて異常処理を行う異常処理手段を備え、前記異常処理手段は、前記解析手段が解析した前記スペクトル成分の強度が第一レベルに相当するか、前記第一レベルよりも高い第二レベルに相当するかを判断するレベル判断手段と、前記第レベル判断手段によって前記強度が前記第一レベルに相当すると判断した場合、異常を報知する異常報知手段と、前記第レベル判断手段によって前記強度が前記第二レベルに相当すると判断した場合、前記工作機械の加工動作を停止する異常停止手段とを備える。工具の欠損量に応じてスペクトル成分の強度は変化する。工具の欠損量が多ければ多いほど、スペクトル成分の強度は強く出る。本発明は、スペクトル成分の強度に応じて、作業者に異常を報知し又は強制的に停止できるので、工具の欠損レベルに応じて適切な対応を取ることができる。

請求項５に係る発明の工具異常検出方法は、ワークと工具の相対移動を行う工作機械に使用する前記工具の異常を検出する工具異常検出装置が行う工具異常検出方法において、前記ワークの加工方向と平行で前記ワークの加工中に駆動する加工軸とは異なる方向に位置し、前記ワークの加工中には駆動しない静止軸に付与される振動を測定する測定工程と、前記測定工程で測定した前記振動中に、前記ワークの加工中における前記工具の回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する解析工程と、前記解析工程の解析結果に基づき、前記工具の異常を検出する異常検出工程とを備える。故に、工具異常検出装置は工具異常検出方法を行うことによって、請求項１に記載の効果を得ることができる。

請求項６に係る発明の工具異常検出方法は、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記測定工程では、前記静止軸を駆動するサーボモータの位置情報とトルク情報を含むフィードバック情報に基づき、前記静止軸の外乱トルクを推定する外乱オブザーバによって前記振動を測定することを特徴とする。故に、工具異常検出装置は工具異常検出方法を行うことによって、請求項２に記載の効果を得ることができる。

請求項７に係る発明の工具異常検出方法は、請求項６に記載の発明の構成に加え、前記解析工程では、前記測定工程において、前記外乱オブザーバで推定された前記外乱トルクをウェーブレット変換によって、前記回転数の周波数と同じスペクトル成分を検出して解析することを特徴とする。故に、工具異常検出装置は工具異常検出方法を行うことによって、請求項３に記載の効果を得ることができる。

請求項８に係る発明の工具異常検出方法は、請求項５から７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記異常検出工程において前記工具の異常を検出した時に、前記成分の強度に応じて異常処理を行う異常処理工程を備え、前記異常処理工程は、前記解析工程において解析した前記スペクトル成分の強度が第一レベルに相当するか、前記第一レベルよりも高い第二レベルに相当するかを判断するレベル判断工程と、前記第レベル判断工程において前記強度が前記第一レベルに相当すると判断した場合、異常を報知する異常報知工程と、前記第レベル判断工程において前記強度が前記第二レベルに相当すると判断した場合、前記工作機械の加工動作を停止する異常停止工程とを備える。故に、工具異常検出装置は工具異常検出方法を行うことによって、請求項４に記載の効果を得ることができる。

工作機械５０の斜視図である。 ＸＹステージ機構６０の構造を示す斜視図である。 数値制御装置１と工作機械５０の電気的構成を示すブロック図である。 外乱オブザーバのブロック図である。 工作機械５０を用いたドリル加工試験の様子を示す写真である。 無欠損工具Ｔ１の先端部の写真である。 欠損工具Ｔ２の先端部の写真である。 連続ウェーブレット変換による解析結果を示す図である。 スペクトル強度と欠損面積の関係を示すグラフである。 工具欠損検出処理のフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１を参照し、工作機械５０の構造について説明する。工作機械５０は、ベース５２、機械本体５３、ＸＹステージ機構６０、工具交換装置８０等を備える。ベース５２は鉄製の略直方体状の土台である。機械本体５３はベース５２上部後方に設けられ、後述するＸステージ６１上面に保持されたワークＷ（図１では省略、図５参照）を切削する。ＸＹステージ機構６０はベース５２上部中央に設けられ、Ｘステージ６１をＸ軸方向とＹ軸方向に駆動する。工具交換装置８０は機械本体５３上部に設けられ、機械本体５３の後述する主軸５７（図５参照）に装着された工具Ｔを交換する。

工作機械５０は操作パネル（図示略）を備える。操作パネルは入力装置１７と表示装置１８（図３参照）を備える。作業者は入力装置１７により、加工プログラム、工具の種類、工具情報、各種パラメータ等を入力することができる。作業者が入力装置１７を操作することにより、表示装置１８には各種入力画面又は操作画面等が表示される。

図１を参照し、機械本体５３の構成について説明する。機械本体５３は、コラム５５、主軸ヘッド５６、主軸５７（図５参照）、制御箱５８等を備える。コラム５５は柱状であり、ベース５２上部後方に立設されている。主軸ヘッド５６はコラム５５前面に沿ってＺ軸方向（上下方向）に移動可能である。主軸５７は主軸ヘッド５６内部に回転可能に支持されている。主軸５７には工具Ｔが装着され、主軸モータ３２（図３参照）の駆動により高速回転する。制御箱５８は数値制御装置１を格納する。数値制御装置１は工作機械５０の動作を制御し且つ工具Ｔの欠損を検出可能である。

主軸ヘッド５６は、コラム５５前面に設けたＺ軸移動機構（図示略）によってＺ軸方向に移動する。Ｚ軸移動機構は一対のＺ軸リニアガイドとＺ軸ボール螺子（図示略）とＺ軸モータ３１（図３参照）を備える。Ｚ軸リニアガイドはＺ軸方向に延出し且つ主軸ヘッド５６をＺ軸方向に案内する。Ｚ軸ボール螺子は一対のＺ軸リニアガイドの間に配置する。主軸ヘッド５６は背面にナット（図示略）を備える。ナットはＺ軸ボール螺子に螺合する。Ｚ軸モータ３１はＺ軸ボール螺子を正逆方向に回転する。よって、主軸ヘッド５６はナットと共にＺ軸方向に移動する。主軸ヘッド５６は上部に主軸モータ３２を備える。主軸モータ３２は主軸５７を回転駆動する。Ｚ軸モータ３１及び主軸モータ３２はサーボモータである。

工具交換装置８０は工具マガジン８１を備える。工具マガジン８１は円盤状である。工具マガジン８１はマガジンモータ３５（図３参照）の駆動により軸周りに旋回する。工具マガジン８１は外周上に２１個のポットＰを周方向に備える。作業者はポットＰに工具Ｔを着脱する。工具交換装置８０は工具マガジン８１を旋回し、次に交換する工具Ｔを装着するポットＰを工具交換位置に割り出す。工具交換装置８０は主軸５７に装着された工具Ｔを外し、工具交換位置にあるポットＰに装着した工具Ｔを主軸５７（図５参照）に装着する。

図１，図２を参照し、ＸＹステージ機構６０の構造について説明する。ＸＹステージ機構６０はＸ軸・Ｙ軸ボール螺子駆動系の機構である。ＸＹステージ機構６０は、Ｘステージ６１、Ｙステージ６２、Ｘ軸モータ３３、Ｙ軸モータ３４等を備える。Ｘステージ６１は上面にワークＷ（図５参照）を保持する作業台である。Ｙステージ６２は上面にＸステージ６１をＸ軸方向（左右方向）に移動可能に支持し、且つベース５２上面中央においてＹ軸方向（前後方向）に移動可能である。

図２に示すように、ベース５２は上面中央に一対のＹ軸リニアガイド６３とＹ軸ボール螺子６４とＹ軸モータ３４を備える。Ｙ軸リニアガイド６３はＹ軸方向に延出し、且つＹステージ６２をＹ軸方向に案内する。Ｙ軸ボール螺子６４は一対のＹ軸リニアガイド６３の間に配置する。Ｙステージ６２は下面にナット（図示略）を備える。ナットはＹ軸ボール螺子６４に螺合する。Ｙ軸モータ３４はＹ軸ボール螺子６４を正逆方向に回転する。よって、Ｙステージ６２はナットと共にＹ軸方向に移動する。

Ｙステージ６２は上面に一対のＸ軸リニアガイド６５とＸ軸ボール螺子６６とＸ軸モータ３３を備える。Ｘ軸リニアガイド６５はＸ軸方向に延出し、且つＸステージ６１をＸ軸方向に案内する。Ｘ軸ボール螺子６６は一対のＸ軸リニアガイド６５の間に配置する。Ｘステージ６１は下面にナット（図示略）を備える。ナットはＸ軸ボール螺子６６に螺合する。Ｘ軸モータ３３はＸ軸ボール螺子６６を正逆方向に回転する。よって、Ｘステージ６１はナットと共にＸ軸方向に移動する。従って、Ｘステージ６１はＹステージ６２を介してＹ軸方向にも移動する。即ちＸステージ６１はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。Ｘ軸モータ３３及びＹ軸モータ３４はサーボモータである。

Ｘ軸リニアガイド６５とＸ軸ボール螺子６６は、Ｘステージ６１の左右両側において露出する部分において、図１に示すように、カバー６７，６８によって覆われている。カバー６７，６８はＸステージ６１のＸ軸方向への移動に伴い伸縮する。Ｙ軸リニアガイド６３とＹ軸ボール螺子６４は、Ｙステージ６２の前側において露出する部分において、カバー６９によって覆われ、後ろ側において露出する部分において、Ｙ軸後ろカバー（図示略）によって覆われている。カバー６９はＹステージ６２のＹ軸方向への移動に伴い伸縮する。これにより、工作機械５０は、加工領域から飛散する切粉及びクーラント液の飛沫等が各軸の駆動機構上に落下するのを防止できる。

図３を参照し、数値制御装置１の電気的構成について説明する。数値制御装置１は、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、不揮発性記憶装置１４、入出力部１５、駆動回路２１〜２５等を備える。ＣＰＵ１１は数値制御装置１を統括制御する。ＲＯＭ１２はメインプログラムの他、後述する工具欠損検出プログラム等の各種プログラムを記憶する。ＲＡＭ１３は各種処理実行中の各種データを一時的に記憶する。不揮発性記憶装置１４は作業者が入力装置１７で入力して登録した複数のＮＣプログラム等を記憶する。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数のブロックで構成され、工作機械５０の軸移動、工具交換等を含む各種動作をブロック単位で指令するものである。

工作機械５０は、上述したＺ軸モータ３１、主軸モータ３２、Ｘ軸モータ３３、Ｙ軸モータ３４、マガジンモータ３５等を備える。各種モータ３１〜３５には、エンコーダ４１〜４５が各々設けられている。エンコーダ４１〜４５は、各種モータ３１〜３５の位置を検出し、フィードバック信号を数値制御装置１に出力する。

駆動回路２１はＺ軸モータ３１とエンコーダ４１に接続する。駆動回路２２は主軸モータ３２とエンコーダ４２に接続する。駆動回路２３はＸ軸モータ３３とエンコーダ４３に接続する。駆動回路２４はＹ軸モータ３４とエンコーダ４４に接続する。駆動回路２５はマガジンモータ３５とエンコーダ４５に接続する。駆動回路２１〜２５はＣＰＵ１１から指令信号を受け、対応する各モータ３１〜３５に駆動電流を夫々出力する。駆動回路２１〜２５はエンコーダ４１〜４５からフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。入出力部１５は入力装置１７と表示装置１８に夫々接続する。

使用者は複数のＮＣプログラムの中から一のＮＣプログラムを入力装置１７で選択可能である。ＣＰＵ１１は選択したＮＣプログラムを表示装置１８に表示する。ＣＰＵ１１は表示装置１８に表示したＮＣプログラムに基づき、工作機械５０の動作を制御する。

次に、工具欠損検出理論について説明する。工具Ｔの軸方向をＺ軸としたとき、Ｚ軸は加工軸であり、Ｘ軸とＹ軸は静止軸である。静止軸とは、工作機械５０がワークＷを加工中に駆動しない軸である。工具Ｔの一例はドリルである。ドリルは基本的に二枚刃の軸対称型である。それ故、通常のドリル加工において、切削力は静止軸であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働かず、加工軸であるＺ軸方向に働く。しかし工具Ｔに欠損が生じた場合、ドリル形状の対称性が失われるため、Ｚ軸方向のみではなく、Ｘ軸方向及びＹ方向にも切削力が働く。このＸ軸方向及びＹ軸方向に働く切削力は主軸５７の回転に従って変化する。そこで、本実施形態は、ＸＹステージ機構６０に外乱オブザーバを適用し、さらに外乱オブザーバで推定した外乱力を周波数解析することで、工具欠損を高精度に検出できる。

次に、外乱オブザーバ理論について説明する。工作機械５０に設けられたＸＹステージ機構６０にかかる外乱力は外乱オブザーバによって推定できる。例えば、外乱力を考慮したＸステージ６１の単軸ボール螺子系の運動方程式は式（１）のように与えられる。
・・・（１）
Ｍ_ｘ［ｋｇ］はワークＷを含めたＸステージ６１の駆動部分の全質量、ｘ''［ｍ／ｓ^２］は駆動部分の加速度、Ｋ_ｔ［Ｎ／Ａ］は推力定数、Ｉ_ａ［Ａ］は電機子電流、Ｆ_ｌ［Ｎ］は外部負荷（この場合、切削力と摩擦力）である。なお、Ｘステージ６１の駆動部分の全質量とは、Ｘステージ６１のみの質量を指す。外部負荷とパラメータ変動による負荷の合力を外乱力と定義すると、外乱力（Ｆ_ｄｉｓ）は式（２）のように与えられる。
・・・（２）
式（１）を式（２）に代入すると外乱力は式（３）のように与えられる。尚、電流参照値Ｉ_ａ ^ｒｅｆから電機子電流までの遅れはほとんどないとする。
・・・（３）
加工によるワークＷの質量変動とトルク定数の変動が小さいとすると、外乱力は外部負荷に相当する。よって、切削力が主である外部負荷が、電流参照値Ｉ_ａ ^ｒｅｆと加速度ｘ''から算出できることを意味する。

実際の数値制御装置１内では微分処理によって高周波のノイズが拡大されてしまうため、外乱力を推定する際に一次のローパスフィルタを適用する。よって単軸ボール螺子系のＸステージ６１に対して外乱オブザーバを適用した場合のブロック線図は、図４のような構成となる。外乱オブザーバは、電流参照値Ｉ_ａ ^ｒｅｆをトルク情報としてＸ軸モータ３３から取得し、Ｘ軸モータ３３に接続するエンコーダ４３（図３参照）からフィードバック速度ｘを取得する。フィードバック速度ｘはＸ軸モータ３３の角速度であり位置情報である。

このとき、推定外乱力Ｆ_ｄｉｓは式（４）のように求めることができる。ｓはラプラス演算子である。
・・・（４）
ｇ_ｄｉｓ［ｒａｄ／ｓ］は外乱オブザーバのカットオフ周波数、Ｍ_ｘｎ［ｋｇ］は駆動部分質量の公称値、Ｋ_ｔｎ［Ｎ／Ａ］は推力定数の公称値である。前記各公称値と該公称値と対応する工作機械５０の実際の値が等しければ、式（２）の関係より、外乱力は外部負荷となるので、式（５）のように変換できる。
・・・（５）
以上の説明により、外乱力はサーボ制御機構の内部信号情報のみから算出できることがわかる。内部信号情報とは、上述したトルク情報と位置情報を含む情報である。本実施形態では、推定外乱力に対して連続ウェーブレット変換による解析を行い、欠損が生じたドリルの加工を行う際に発生する特定の振動を検出する。

次に、連続ウェーブレット変換について説明する。連続ウェーブレット変換はフーリエ変換と異なり、時間領域と周波数領域の解析を同時に精度良く行うことができる解析手法である。解析する周波数範囲を限定すれば、短時間で演算が可能であるため、リアルタイムの周波数解析に優れた手法である。連続ウェーブレット変換は、式（６）のように解析対象の信号とウェーブレットの畳込積分によって定義される。
・・・（６）
ｆ（ｔ）は解析対象の信号、ψ_{ａ，ｂ（ｔ）}はウェーブレット関数、ａとｂはウェーブレットのスケーリングを変換するパラメータである。このとき、ａとｂの関数となるＷ_ｆ（ａ，ｂ）が、ｆ_（ｔ）のウェーブレット変換となる。また、ψ_{ａ，ｂ（ｔ）}は関数ψ_{ａ，ｂ（ｔ）}の共役な複素数である。式（７）は、マザーウェーブレット関数ψ（ｔ）をパラメータａ，ｂによってスケール変換することで得られるウェーブレット関数ψ_{ａ，ｂ（ｔ）}を示している。
・・・（７）
本実施形態では、マザーウェーブレット関数として、ガボールマザーウェーブレットを利用する。ガボールマザーウェーブレットは、パラメータσを大きくすることで時間分解能を低くする代わりに周波数分解能を高めることができる特性を持ち、式（８）のように表される。
・・・（８）
本実施形態では、周波数成分のスペクトル強度をＷ_ｆ（ａ，ｂ）によって表し、工具欠損によって発生する振動の影響を調べる為に利用する。ωは角速度を示す。

次に、ドリル穴空け加工実験について説明する。本実施形態の実用性を調べるために、コーナー部分に欠損を起こした工具複数本と無欠損の工具を用意し、アルミ合金Ａ２０１７に対するドリル加工試験を行った。本実験では、直径６ｍｍのドリルである工具Ｔで、工作機械５０による加工を行った。その他の加工条件や機械特性については、以下の表１、表２の通りである。Ｘ軸・Ｙ軸ボール螺子駆動系に外乱オブザーバを適用し、推定した外乱力を連続ウェーブレット変換によってスペクトル強度を算出することで欠損検出を試みた。図５はその加工試験の様子である。

次に、ドリル穴あけ加工実験結果について説明する。図６は本実験で利用した無欠損工具Ｔ１の一例、図７は欠損工具Ｔ２の一例である。なお、図７に示す欠損工具Ｔ２の欠損面積は１．９４７ｍｍ^２であった。図８は無欠損工具Ｔ１と欠損工具Ｔ２によって加工した際の夫々のＹ軸推定外乱力を連続ウェーブレット変換した結果である。なお、Ｘ軸推定外乱力を連続ウェーブレット変換した結果については省略する。図８の上のスペクトル図に示すように、無欠損工具Ｔ１による試験の解析結果には、解析周波数範囲内に特徴的な変化は観測できなかった。これに対し、図８の下のスペクトル図に示すように、欠損工具Ｔ２による加工中には、主軸回転数９０００ｍｉｎ^−１と等しい周波数である１５０Ｈｚ近傍においてスペクトルの拡大を観測できた。

次に、提案手法の汎用性を確認するために、無欠損工具と９本の欠損工具によって表１の条件でドリル加工実験を行った。９本の欠損工具の欠損面積については表３にまとめた。なお、表３において両刃とも欠損しているドリルについては両方の欠損面積を示した。

定量的に振動を評価するために、図８のように１５０Ｈｚのスペクトル強度を加工時間帯の０．３秒間を評価区間とし、その区間内におけるスペクトル強度の平均値をＸ軸・Ｙ軸夫々で求め、それらの相乗平均値を評価基準として利用した。加工時間帯とは、ドリルにて穴加工をしている間のことを示す。各ドリルに関して２０穴ずつの加工を行い、その挙動を比較するために、図９に欠損面積とスペクトル強度の相乗平均の関係をまとめた。図９に示した結果からわかる通り、全ての欠損工具が無欠損工具と比べ大きな振動を引き起こしている。また、欠損面積の大きい工具ほど大きなスペクトル強度を示すという傾向を確認できる。実験の結果から１ｍｍ^２以上の欠損面積を持つ欠損工具ならば、欠損を検出するために十分なスペクトル強度を示すことがわかった。この結果から、提案手法が外部センサを用いることなく工具欠損の検出を行えるということを実験的に証明できた。

そして、本実施形態では、工具欠損のレベルを判定する為に、図９に示す１５０Ｈｚのスペクトル強度について、第１閾値と第２閾値が夫々設定されている。例えば、第１閾値は１０００、第２閾値は２０００に設定される。工具の欠損レベルについて、１０００未満は正常レベル、１０００以上２０００未満は警告レベル、２０００以上は異常レベルである。正常レベルは工具Ｔの欠損は少なく、加工を正常に継続できるレベルである。警告レベルは工具Ｔに生じた欠損が進んで、交換するのが好ましいレベルである。異常レベルは工具Ｔの欠損が著しく、加工を強制的に停止させるレベルである。数値制御装置１は、工作機械５０の加工中に測定及び解析された１５０Ｈｚのスペクトル強度がどのレベルにあるかを判定し、その判定されたレベルに応じた対応を速やかに行うことができる。

次に、図１０を参照し、ＣＰＵ１１が実行する工具欠損検出処理について説明する。工具欠損検出処理は上記理論を利用したものである。作業者は、主軸５７に装着された工具Ｔについて欠損の有無及びレベルを判定する為に、入力装置１７の操作によって、工具欠損検出モードをオンする。作業者はワークＷを加工する為に、入力装置１７の操作によって、加工プログラムを選択して、加工開始の指示を入力する。ＣＰＵ１１は選択された加工プログラムに基づき、ワークＷの加工を開始すると共に、ＲＯＭ１２に記憶された工具欠損検出プログラムを読み込み、本処理を実行する。

先ず、ＣＰＵ１１は測定処理を実行する（Ｓ１）。図４に示すように、測定処理は外乱オブザーバを用いる。外乱オブザーバは、Ｙ軸モータ３４から取得したトルク情報と、エンコーダ４４から取得した位置情報に基づき、Ｙ軸ボール螺子６４の駆動系にかかる外乱力を推定する。

次いで、ＣＰＵ１１は解析処理を実行する（Ｓ２）。解析処理では、上述のように、外乱オブザーバで算出された推定外乱力のウェーブレット変換を行う。これによって、Ｙ軸ボール螺子６４に付与された振動中に、ワークＷの加工中における工具Ｔの回転数の周波数（本実施形態では１５０Ｈｚ）と同じ成分を検出して解析する。主軸回転数が毎分９０００回転であるので、１５０Ｈｚであるが、主軸の回転数が変われば周波数は変化する。

次いで、ＣＰＵ１１は、解析処理の結果に基づき、工具回転周波数のスペクトル強度を算出し（Ｓ３）、算出したスペクトル強度が第１閾値以上か否か判断する（Ｓ４）。本実施形態の工具回転周波数は１５０Ｈｚである。第１閾値未満であった場合（Ｓ４：ＮＯ）、工具Ｔの欠損レベルは正常レベルである。それ故、ＣＰＵ１１は、ワークＷの加工が終了したか否か判断する（Ｓ５）。加工終了の場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、本処理を終了する。加工がまだ終了していない場合（Ｓ５：ＮＯ）、Ｓ１に戻って処理を繰り返す。

また、工具回転周波数のスペクトル強度が第１閾値以上であった場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、続いて、第２閾値以上か否か判断する（Ｓ６）。第２閾値未満であった場合（Ｓ６：ＮＯ）、工具Ｔの欠損レベルは警告レベルである。それ故、ＣＰＵ１１は、作業者に工具Ｔの交換を促す為に、表示装置１８に警告を表示する（Ｓ７）。警告は、例えば「工具が欠損している可能性があります。工具の交換を行って下さい。」等のメッセージである。ＣＰＵ１１は警告を表示した状態で、本処理を終了する。作業者は表示装置１８に表示された警告を確認することによって、工作機械５０の加工動作を停止し、工具Ｔを新しい工具Ｔに交換する。これにより、作業者は、工具Ｔに欠損が生じた場合に、迅速且つ適切な対応を取ることができる。

また、工具回転周波数のスペクトル強度が第２閾値以上であった場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、工具Ｔの欠損レベルは異常レベルである。この場合、工具Ｔの欠損が著しく、ワークＷの加工精度を大きく低下させ、製品の品質低下を招く可能性がある。そこで、ＣＰＵ１１は、工作機械５０の加工動作を強制的に停止し（Ｓ８）、本処理を終了する。これにより、欠損の著しい工具Ｔを用いた加工が継続されてしまうのを防止できる。このように、本実施形態では、工具Ｔの欠損の有無のみならず、欠損の程度を高制度に判定し、その判定した欠損レベルに応じた対応ができるので、ワークＷの加工を良好に行うことができる。

以上説明において、図３に示す数値制御装置１が本発明の工具欠損検出装置に相当する。図１０のフローにおいて、Ｓ１の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明の測定手段に相当する。Ｓ２の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明の解析手段に相当する。Ｓ３，Ｓ４の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明の異常検出手段に相当する。Ｓ６の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明のレベル判断手段に相当する。Ｓ７の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明の異常報知手段に相当する。Ｓ８の処理を実行するＣＰＵ１１が本発明の異常停止手段に相当する。

以上説明したように、本実施形態の数値制御装置１は、工作機械５０の加工動作を制御することに加え、工具Ｔの欠損を高精度に検出できる。数値制御装置１のＣＰＵ１１は、ワークＷの加工中停止しているＸ軸ボール螺子６６又はＹ軸ボール螺子６４の駆動系に付与される振動を測定する。次いで、ＣＰＵ１１は、測定した振動中に、ワークＷの加工中における工具Ｔの回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する。そして、ＣＰＵ１１は、工具Ｔの回転数の周波数と同じ成分が有るか否かを判断し、有る場合はどのレベルであるかを判定し、工具Ｔに生じる異常を検出する。工具Ｔが摩耗すると、工具Ｔの先端部分に工具欠損が起きる。加工時に駆動しない静止軸であるＸ軸方向とＹ軸方向に付与される振動は、欠損により生じた振動によるものである。この振動は工具の回転周波数と等しくなる。静止軸の振動から工具の回転周波数に相当する成分を取り出すことで、他の要因による振動の影響を除いた工具欠損による振動のみを取り出すことができる。これにより本実施形態は、単に振動を観測する方式に比べて高い精度で工具欠損を検出できる。

本実施形態ではさらに、静止軸に付与される振動を、外乱オブザーバを用いて推定する。外乱オブザーバは、例えば、Ｙ軸ボール螺子６４を駆動するＹ軸モータ３４の位置情報とトルク情報を含むフィードバック情報に基づき、Ｙ軸方向の外乱トルクを推定して振動を測定する。これにより、Ｙ軸方向にかかる高周波の外乱トルクを高精度に推定できる。

本実施形態ではさらに、外乱オブザーバで推定された外乱トルクをウェーブレット変換によって、回転数の周波数と同じスペクトル成分を検出して解析する。これにより、回転数の周波数と同じ周波数の解析を高精度に行うことができる。

本実施形態ではさらに、回転数の周波数と同じスペクトル成分の強度が警告レベルであるか異常レベルであるかを判断する。警告レベルであった場合、表示装置１８に警告を表示する。異常レベルであった場合、工作機械５０の加工動作を強制的に停止する。これにより、作業者は工具の欠損レベルに応じて適切な対応を取ることができる。

なお本発明は上記実施の形態に限定されず、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態は、工具回転周波数のスペクトル強度が警告レベルであった場合、作業者に工具Ｔの交換を促す為に、表示装置１８に警告を表示するが、アラーム等の音声による報知を併せて又は単独で行うようにしてもよい。

また上記実施形態の工作機械５０は、三軸の縦型工作機械であるが、横型の工作機械であってもよい。なお、何れの種類であっても、工具Ｔの軸方向をＺ軸とすればよい。また三軸ではなく、それ以上の多軸であってもよい。

また上記実施形態では、ドリルによる穴空け加工時において、Ｙ軸ボール螺子６４とＸ軸ボール螺子６６の各外乱力を推定して、両者の推定外乱力中の工具回転周波数のスペクトル強度を相乗平均して測定したが、Ｙ軸ボール螺子またはＸ軸ボール螺子のどちらかの外乱力のみを用いて測定してもよい。

また上記実施形態の他に、例えば、外乱オブザーバを用いない場合や、ウェーブレット変換ではなくＦＦＴを用いる方法、フィルタにより必要な周波数の信号を抽出するなどの構成でもよい。

また上記実施形態は、工作機械５０の動作を制御する数値制御装置１を、本発明の工具欠損検出装置の一例として説明したが、工具欠損を検出する専用機であってもよい。

また上記実施形態では、工具Ｔの一例としてドリルを説明したが、それ以外の工具の種類でもよく、例えば、側面加工に用いるエンドミル等であってもよい。

１ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
３３ Ｘ軸モータ
３４ Ｙ軸モータ
５０ 工作機械
Ｔ 工具
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. ワークと工具の相対移動を行う工作機械に使用する前記工具の異常を検出する工具異常検出装置において、
   前記ワークの加工方向と平行で前記ワークの加工中に駆動する加工軸とは異なる方向に位置し、前記ワークの加工中には駆動しない静止軸に付与される振動を測定する測定手段と、
   前記測定手段が測定した前記振動中に、前記ワークの加工中における前記工具の回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する解析手段と、
   前記解析手段の解析結果に基づき、前記工具の異常を検出する異常検出手段と
   を備えたことを特徴とする工具異常検出装置。
2. 前記測定手段は、前記静止軸を駆動するサーボモータの位置情報とトルク情報を含むフィードバック情報に基づき、前記静止軸の外乱トルクを推定して前記振動を測定する外乱オブザーバを備えたことを特徴とする請求項１に記載の工具異常検出装置。
3. 前記解析手段は、前記外乱オブザーバで推定された前記外乱トルクをウェーブレット変換によって、前記回転数の周波数と同じスペクトル成分を検出して解析することを特徴とする請求項２に記載の工具異常検出装置。
4. 前記異常検出手段が前記工具の異常を検出した時に、前記成分の強度に応じて異常処理を行う異常処理手段を備え、
   前記異常処理手段は、
   前記解析手段が解析した前記スペクトル成分の強度が第一レベルに相当するか、前記第一レベルよりも高い第二レベルに相当するかを判断するレベル判断手段と、
   前記第レベル判断手段によって前記強度が前記第一レベルに相当すると判断した場合、異常を報知する異常報知手段と、
   前記第レベル判断手段によって前記強度が前記第二レベルに相当すると判断した場合、前記工作機械の加工動作を停止する異常停止手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の工具異常検出装置。
5. ワークと工具の相対移動を行う工作機械に使用する前記工具の異常を検出する工具異常検出装置が行う工具異常検出方法において、
   前記ワークの加工方向と平行で前記ワークの加工中に駆動する加工軸とは異なる方向に位置し、前記ワークの加工中には駆動しない静止軸に付与される振動を測定する測定工程と、
   前記測定工程で測定した前記振動中に、前記ワークの加工中における前記工具の回転数の周波数と同じ成分を検出して解析する解析工程と、
   前記解析工程の解析結果に基づき、前記工具の異常を検出する異常検出工程と
   を備えたことを特徴とする工具異常検出方法。
6. 前記測定工程は、前記静止軸を駆動するサーボモータの位置情報とトルク情報を含むフィードバック情報に基づき、前記静止軸の外乱トルクを推定する外乱オブザーバによって前記振動を測定することを特徴とする請求項５に記載の工具異常検出方法。
7. 前記解析工程は、前記測定工程において、前記外乱オブザーバで推定された前記外乱トルクをウェーブレット変換によって、前記回転数の周波数と同じスペクトル成分を検出して解析することを特徴とする請求項６に記載の工具異常検出方法。
8. 前記異常検出工程において前記工具の異常を検出した時に、前記成分の強度に応じて異常処理を行う異常処理工程を備え、
   前記異常処理工程は、
   前記解析工程において解析した前記スペクトル成分の強度が第一レベルに相当するか、前記第一レベルよりも高い第二レベルに相当するかを判断するレベル判断工程と、
   前記第レベル判断工程において前記強度が前記第一レベルに相当すると判断した場合、異常を報知する異常報知工程と、
   前記第レベル判断工程において前記強度が前記第二レベルに相当すると判断した場合、前記工作機械の加工動作を停止する異常停止工程と
   を備えたことを特徴とする請求項５から７の何れかに記載の工具異常検出方法。